در پس‌زمینه گوشی شما در عرض چند ثانیه، میلیون‌ها محاسبه ریاضی انجام می‌شود تا نقشه را به‌روز بماند، پیام‌هایتان را رمزگذاری کند و به سرورهایی در آن سوی دنیا متصل شود.

احتمالاً در آن لحظه اصلاً به این فکر نمی‌کنید که این قطعه شیشه‌ای و فلزی کوچک که در دست دارید، چطور به‌وجود آمده است. همان پردازنده‌ای که امروز برای باز کردن یک سایت مسدود شده یا پیدا کردن سریع‌ترین مسیر به آن التماس می‌کنیم، روزگاری برای محاسبه مسیر بمب‌های خوشه‌ای، رهگیری زیردریایی‌های قاتل و شکستن کدهای فوق‌محرمانه ارتش نازی متولد شد.

برخلاف انتظار، تاریخچه کامپیوترها داستان مهندس‌های اتوکشیده در آزمایشگاه‌های درخشان سیلیکون‌ولی نیست. داستان تولد دنیای دیجیتال، آغشته به دود باروت، ترس از بمباران‌های شبانه، و استرس‌های مرگبار است. جنگ جهانی دوم، با تمام ویرانی‌هایش، سبب شد تا اختراعاتی که شاید ده‌ها سال طول می‌کشید تا به ثمر بنشینند، در عرض چند سال با سرعتی بی‌سابقه به‌وجود بیایند.

ماشین کلاسوس (Colossus) چیست و چطور کدهای هیتلر را در هم شکست؟

برای شروع، به بریتانیا و عمارتی ییلاقی به‌نام بلچلی پارک (Bletchley Park) در منطقه باکینگهام‌شایر سفر می‌کنیم. در ظاهر، این عمارت یک خانه روستایی آرام بود، اما در باطن، مخفی‌ترین پایگاه اطلاعاتی متفقین محسوب می‌شد.

بیشتر مردم به لطف فیلم‌های هالیوودی، نام آلن تورینگ (Alan Turing) و تلاش‌های او برای شکستن کدهای ماشین انیگما (Enigma) را شنیده‌اند. تورینگ از یک دستگاه الکترومکانیکی به‌نام «بومب» (Bombe) استفاده می‌کرد. اما چالش ترسناک‌تری در جریان بود که تا دهه‌ها بعد از جنگ هیچ‌کس از آن خبر نداشت.

فرماندهی عالی ارتش آلمان، برای پیام‌های فوق‌محرمانه خود، ماشینی به مراتب پیچیده‌تر به‌نام «لورنز» (Lorenz SZ attachment) داشت که پیام‌ها را با استفاده از کدهای دودویی رمزنگاری می‌کرد. بریتانیایی‌ها به این ماشین «تانی» (Tunny) می‌گفتند تانی پیام‌ها را با استفاده از کدهای دودویی رمزنگاری می‌کرد.

روش‌های دستی یا دستگاه‌های ابتدایی مثل ماشین هیت رابینسون (Heath Robinson) برای شکستن این کدها به قدری کند بودند که خواندن یک پیام، هفته‌ها طول می‌کشید. اینجا بود که مهندس تامی فلاورز (Tommy Flowers) از اداره پست بریتانیا وارد میدان شد. او ایده‌ای دیوانه‌وار داشت: ساخت یک ماشین کاملاً الکترونیکی با استفاده از لامپ‌های خلاء؛ قطعه‌ای شیشه‌ای شبیه به لامپ‌های روشنایی قدیمی که برای کنترل جریان برق استفاده می‌شد.

متخصصان بلچلی پارک به ایده او خندیدند. آن‌ها می‌گفتند لامپ‌های خلاء به‌شدت شکننده‌اند و ساختن ماشینی با ۲٬۰۰۰ لامپ که مدام نسوزد، غیرممکن است. اما فلاورز که در ساخت سوییچ‌های تلفن تجربه داشت، می‌دانست که اگر این ماشین هرگز خاموش نشود و جریان برق در آن پایدار بماند، لامپ‌ها سالم می‌مانند.

نتیجه پافشاری او، ساخت اولین کامپیوتر دیجیتال، الکترونیکی و برنامه‌پذیر دنیا با نام کلاسوس (Colossus) بود که در دسامبر ۱۹۴۳ تکمیل و در ژانویه ۱۹۴۴ نصب شد. کلاسوس فاقد حافظه رم بود اما می‌توانست نوارهای کاغذی را با سرعت ۵٬۰۰۰ کاراکتر در ثانیه بخواند.

فلاورز در نسخه‌های بعدی (Colossus Mark II)، با استفاده از تکنیک پردازش موازی، سرعت دستگاه را به رکورد عجیب ۲۵,۰۰۰ کاراکتر در ثانیه رساند. اطلاعات استخراج شده از این کامپیوتر، دقیقاً نشان می‌داد که آلمان‌ها چه نقشه‌ای دارند و نقش حیاتی در پیروزی متفقین در عملیات نرماندی ایفا کرد. البته طنز تلخ تاریخ اینجا است که چون کلاسوس یک پروژه فوق‌محرمانه نظامی بود، وجود آن تا ۳۰ سال بعد از جنگ مخفی ماند و افتخار ساخت اولین کامپیوتر دنیا برای سال‌ها به‌نام ماشین‌های آمریکایی ثبت شد.

داستان عجیب استخدام با جدول کلمات متقاطع؛ هکرهای کاغذی!

وقتی صحبت از هک و امنیت سایبری می‌شود، تصور می‌کنیم گروهی از متخصصان با لپ‌تاپ‌های گران‌قیمت در حال کدنویسی هستند. اما در طول جنگ جهانی دوم، استخدام مغزهای متفکر روش بسیار عجیب‌تری داشت.

در ژانویه ۱۹۴۲، روزنامه دیلی تلگراف بریتانیا، نامه‌هایی از خوانندگان دریافت کرد که از ساده بودن بیش از حد جدول‌های کلمات متقاطع شکایت داشتند. سردبیر تصمیم گرفت یک چالش برگزار کند. یک جدول فوق‌العاده سخت و مبهم در روزنامه ۱۳ ژانویه چاپ شد و از مردم خواسته شد اگر می‌توانند آن را در کمتر از ۱۲ دقیقه حل کنند، با روزنامه تماس بگیرند.

کسانی که ادعا می‌کردند موفق شده‌اند، به دفتر روزنامه دعوت شدند تا در حضور داوران جدول دیگری را حل کنند. تنها پنج نفر موفق به این کار شدند. چند هفته بعد، این افراد برنده‌شده، نامه‌ای محرمانه و غیرمنتظره از وزارت جنگ دریافت کردند:

مایلیم شما را برای موضوعی که اهمیت ملی دارد ملاقات کنیم.

دولت بریتانیا فهمیده بود ذهنی که می‌تواند الگوهای پنهان را در یک جدول کلمات متقاطع در کمتر از ۱۲ دقیقه پیدا کند، توانایی تفکر جانبی و درک رمزهای پیچیده را دارد. این دقیقاً همان مهارتی بود که برای شکستن کدهای ماشین انیگما نیاز داشتند. بسیاری از این افراد مستقیماً به بلچلی پارک فرستاده شدند تا به‌عنوان کدشکن خدمت کنند.

بانوان فراموش‌شده در تاریخ کامپیوتر

امروزه در دنیای تکنولوژی، زنان مهندس و برنامه‌نویس بسیاری در استارتاپ‌ها و شرکت‌های فناوری فعال هستند که گاهی با چالش‌های نابرابری در محیط کار دست و پنجه نرم می‌کنند. اما جالب است بدانید که پایه‌گذاران اصلی برنامه‌نویسی نرم‌افزار در دنیا، بانوانی بودند که تاریخ برای دهه‌ها نام آن‌ها را پاک کرده بود.

در بلچلی پارک، برخلاف تصور عمومی که مردانی با عینک‌های ته‌استکانی را نشان می‌دهد، حدود ۷۵ درصد از نیروی کار را بانوان تشکیل می‌دادند. آن‌ها از طریق دانشگاه‌ها یا همان مسابقات جدول کلمات متقاطع جذب شده بودند. کار آن‌ها به‌شدت فرسایشی بود: شیفت‌های ۸ ساعته گردشی (۴ عصر تا نیمه‌شب، نیمه‌شب تا ۸ صبح و ۸ صبح تا ۴ عصر) در ۶ روز هفته و تحت قوانین شدید حفظ اسرار کار می‌کردند. به آن‌ها دستور داده شده بود که درباره کار، حتی با همکاران خود سر میز شام صحبت نکنند.

در آن سوی اقیانوس، در آمریکا نیز وضعیت مشابهی برقرار بود. ارتش آمریکا و سازمان‌هایی مانند NACA (که بعدها NASA شد)، از زنان ریاضی‌دان با عنوان کامپیوتر انسانی (Human Computer) برای انجام محاسبات پیچیده استفاده می‌کردند.

در آن زمان، برنامه‌نویسی به معنای تایپ کردن روی کیبورد نبود؛ بلکه آن‌ها باید هزاران کابل سنگین را جابجا می‌کردند و سوئیچ‌های مکانیکی را تغییر می‌دادند تا ماشین بتواند معادلات را حل کند.

معمای ماشین Z3 و اشتباه مرگبار آلمان نازی

برای اینکه ببینیم تصمیمات کلان چطور می‌توانند سرنوشت یک ملت (یا حتی مسیر تکنولوژی) را تغییر دهند، بیایید نگاهی به جبهه مقابل یعنی آلمان نازی بیندازیم.

درحالی‌که آمریکا و بریتانیا بودجه‌های کلانی را صرف محاسبات می‌کردند، یک مهندس آلمانی به‌نام کنراد زوزه (Konrad Zuse) در انزوای کامل و در آپارتمانش در برلین، شاهکاری خلق کرده بود. در سال ۱۹۴۱ (سال‌ها قبل از کلاسوس و انیاک)، زوزه ماشینی با عنوان Z3 ساخت. Z3 به‌عنوان اولین کامپیوتر دیجیتال، خودکار و برنامه‌پذیر دنیا شناخته می‌شود که از ۲٬۶۰۰ رله الکترومکانیکی استفاده می‌کرد.

این دستگاه کدهای خود را از روی نوارهای فیلم سوراخ‌دار (پانچ شده) می‌خواند و برای انجام محاسبات پیچیده آئرودینامیک استفاده می‌شد. اما رله‌های مکانیکی سرعت پایینی داشتند (حدود ۵ تا ۱۰ هرتز). زوزه از دولت آلمان درخواست بودجه کرد تا رله‌های کند مکانیکی را با لامپ‌های خلاء الکترونیکی جایگزین کند. اما پاسخ دولت نازی یکی از بزرگترین اشتباهات استراتژیک تاریخ بود: آن‌ها درخواست بودجه را رد کردند چون معتقد بودند:

این پروژه برای جنگ اهمیتی ندارد.

نمونه اصلی Z3 در دسامبر ۱۹۴۳ در جریان بمباران شدید متفقین در برلین به‌طور کامل خاکستر شد. به‌همین‌دلیل، زوزه هرگز نتوانست اختراع خود را ثبت کند و نامش در سایه کامپیوترهای آمریکایی قرار گرفت.

انیاک چه بود و چرا شهر فیلادلفیا را تاریک می‌کرد؟

درحالی‌که بریتانیا کامپیوترهایش را پنهان کرده بود، آمریکا با افتخار از غولی فلزی رونمایی کرد که مطبوعات آن را مغز غول‌پیکر (Giant Brain) نامیدند.

ارتش آمریکا در طول جنگ برای محاسبه جدول‌های شلیک توپخانه با دردسر بزرگی روبرو بود. محاسبه دستی هر مسیر شلیک، با در نظر گرفتن زاویه توپ، سرعت باد، و نوع مهمات، توسط کامپیوترهای انسانی (همان زنان ریاضیدان) روزها زمان می‌برد. برای حل این بحران، جان ماکلی (John Mauchly) و جی. پرسپر اکرت (J. Presper Eckert) در دانشگاه پنسیلوانیا پروژه انیاک را در سال ۱۹۴۳ کلید زدند.

انیاک اولین کامپیوتر دیجیتال، الکترونیکی و همه‌منظوره دنیا بود. یعنی برخلاف کلاسوس که فقط برای رمزگشایی ساخته شده بود، انیاک می‌توانست برای حل هر مسئله ریاضی برنامه‌ریزی شود.

چالش‌های فیزیکی یک هیولای ۳۰ تنی

شاید امروز وقتی فن لپ‌تاپ‌تان کمی صدا می‌دهد یا پشت گوشی‌تان داغ می‌شود، احساس نگرانی کنید. اما بیایید به ابعاد انیاک نگاه کنیم: این غول بی‌شاخ و دم حدود ۳۰ تن وزن داشت، فضایی معادل ۹۳ متر مربع را اشغال می‌کرد و دارای بیش از ۱۸,۰۰۰ لامپ خلاء بود.

البته بزرگترین کابوس مهندس‌ها، اجاره ساختمان آن نبود، بلکه نگرانی اصلی، گرمای وحشتناک و سوختن لامپ‌ها بود. روشن و خاموش کردن این دستگاه باعث تنش حرارتی می‌شد و تقریباً هر ۴۸ ساعت یک‌بار، چند لامپ می‌سوخت. پیدا کردن یک لامپ سوخته در میان ۱۸ هزار قطعه، شبیه پیدا کردن یک پیکسل سوخته در یک تلویزیون ۸۵ اینچی با چشم غیرمسلح بود!

برای جلوگیری از ذوب شدن دستگاه، سیستم‌های تهویه عظیمی نصب شد و مهندس‌ها مجبور بودند درها و پنجره‌ها را باز بگذارند. در نهایت، آن‌ها هم به این نتیجه رسیدند که بهترین راه، روشن نگه داشتن دائمی دستگاه برای جلوگیری از شوک دمایی است.

انیاک در نهایت در اواخر سال ۱۹۴۵ تکمیل شد و اولین وظیفه عملی آن، محاسبه جدول‌های توپخانه نبود؛ بلکه بررسی امکان‌پذیری ساخت وحشتناک‌ترین سلاح بشر، یعنی بمب هیدروژنی (Thermonuclear weapon) بود.

مقایسه پیشگامان محاسبات در یک نگاه

برای درک بهتر، سه شاهکار اولیه را در جدول زیر با هم مقایسه کنیم:

اختراع حافظه کامپیوتر از روی پژواک رادارها؛ ایده خط تاخیر

در طول جنگ، بریتانیا برای شناسایی جنگنده‌های آلمانی پیش از رسیدن به لندن، شبکه‌ای از رادارها را ساخت. رادار با ارسال امواج رادیویی و شنیدن پژواکِ بازگشتی از اجسام کار می‌کند. اما یک مشکل کلافه‌کننده وجود داشت: صفحه‌های رادار با سیگنال‌های ثابت و مزاحم (مثل بازتاب از کوه‌ها یا ساختمان‌ها) پر می‌شدند و اپراتورها نمی‌توانستند هواپیماهای در حال حرکت را تشخیص دهند.

برای حل این مشکل، تکنیکی به‌نام خط تاخیر (Delay Line) اختراع شد. ایده این بود که سیگنال‌ها را کمی به تاخیر بیندازند و ذخیره کنند تا سیستم بتواند فقط اشیاء متحرک را روی مانیتور نشان دهد. جی. پرسپر اکرت (خالق انیاک) که روی کاهش نویز رادارها کار می‌کرد، متوجه شد که می‌توان از همین تکنیک برای ساخت حافظه کامپیوتر استفاده کرد.

در اولین کامپیوترهای دارای حافظه، پالس‌های الکترونیکی (صفر و یک‌ها) به امواج صوتی تبدیل، و سپس به داخل لوله‌های بلندی پر از جیوه مایع فرستاده می‌شدند. چون حرکت صوت در جیوه کندتر از برق است، یک «تاخیر» ایجاد می‌شد. وقتی موج صوتی به انتهای لوله می‌رسید، دوباره به برق تبدیل می‌شد، تقویت می‌شد و به ابتدای لوله بازمی‌گشت.

این چرخه بی‌نهایت از پژواک الکترونیکی باعث می‌شد کامپیوتر اطلاعات را در حافظه خود نگه دارد تا زمانی که به آن نیاز پیدا کند. این لوله‌های جیوه سنگین، اجداد مستقیم حافظه‌های فوق‌سریع در لپ‌تاپ‌های امروزی ما هستند.

ماجرای اولین باگ نرم‌افزاری دنیا چه بود؟

حتماً بارها با خطای سرور در اپلیکیشن‌های بانکی یا کرش کردن نرم‌افزارهای تاکسی‌های اینترنتی مواجه شده‌اید و با عصبانیت می‌گویید: «برنامه باگ دارد!». اما کلمه باگ (به‌معنای حشره) چطور وارد ادبیات کامپیوتر شد؟

اگرچه توماس ادیسون در قرن نوزدهم برای توصیف نقص در ماشین‌آلات مکانیکی از این کلمه استفاده کرده بود، ورود رسمی و مستند آن به دنیای کامپیوتر داستان بامزه‌ای دارد.

این دفترچه گزارش اکنون در موزه تاریخ نیروی دریایی آمریکا نگهداری می‌شود و بقایای آن حشره هنوز زیر چسب نواری مشخص است. گریس هاپر با این اتفاق کلمات «باگ» و «دی‌باگ کردن» (یعنی رفع خطا یا حشره‌زدایی) را در تاریخ کامپیوتر جاودانه کرد.

گریس هاپر بعدها نقش مهمی در ساخت زبان برنامه‌نویسی کوبول (COBOL) ایفا کرد تا برنامه‌نویسان بتوانند به جای زبان صفر و یک، با کلمات نزدیک به زبان انگلیسی کدنویسی کنند.

معماری فون نویمان؛ چطور نرم‌افزار از سخت‌افزار جدا شد؟

بزرگترین کلافگی در مورد کامپیوترهای اولیه مثل انیاک این بود که نرم‌افزار، به شکلی که ما با نصب یک اپلیکیشن تجربه می‌کنیم، وجود نداشت. برای اجرای یک عملیات جدید، مهندس‌ها باید روزها وقت می‌گذاشتند و صدها کابل ضخیم را جابجا می‌کردند. این کار شبیه این بود که برای باز کردن یک بازی جدید در گوشی، مجبور باشید با پیچ‌گوشتی مادربورد گوشی را باز کنید و سیم‌های آن را عوض کنید!

در آگوست ۱۹۴۴، یک ملاقات تصادفی در ایستگاه قطار میان هرمان گلدستین (مسئول پروژه انیاک) و جان فون نویمان (John von Neumann)، یکی از نوابغ ریاضی قرن بیستم، رخ داد. فون نویمان که مشاور پروژه فوق‌محرمانه منهتن (ساخت بمب اتم در لس‌آلاموس) بود، با شنیدن قدرت انیاک به‌شدت هیجان‌زده شد.

اما فون نویمان ذهنی داشت که دهه‌ها جلوتر از زمان خود را می‌دید. او در ملاقات با سازندگان انیاک، ایده‌های ساخت نسل بعدی کامپیوتر به‌نام اِدواک (EDVAC) را جمع‌آوری کرد. در ژوئن ۱۹۴۵، فون نویمان درحالی‌که با قطار به‌سمت آزمایشگاه‌های سلاح هسته‌ای در لس‌آلاموس می‌رفت، یک سند تاریخی ۱۰۱ صفحه‌ای را با دست‌خط خودش نوشت که به «اولین پیش‌نویس گزارش درباره EDVAC» معروف شد.

در این سند، او مفهوم شگفت‌انگیزی به‌نام «کامپیوتر با برنامه ذخیره‌شده» را فرمول‌بندی کرد. بر اساس ایده او:

۱. حافظه متمرکز: کامپیوتر باید یک حافظه واحد داشته باشد که هم داده‌ها (اعداد) و هم دستورالعمل‌ها (نرم‌افزار) را در قالب کدهای صفر و یک درون خود ذخیره کند.
۲. پردازنده مرکزی: تمام محاسبات باید در یک واحد پردازش مرکزی (مانند CPU امروزی) انجام شود.
۳. منطق دودویی یکپارچه: استفاده از کلمات ۳۲-بیتی و محاسبات ریاضی بر پایه منطق دودویی برای سادگی مدارها.

ایده فون نویمان، مرز بین سخت‌افزار و نرم‌افزار را برای همیشه ترسیم کرد. از آن پس نرم‌افزار تبدیل به یک مفهوم نامرئی شد که درون حافظه دستگاه زندگی می‌کرد و نیازی به دستکاری فیزیکی کابل‌ها نداشت.

پخش شدن این گزارش توسط گلدستین، باعث شد این معماری با عنوان معماری فون نویمان شناخته شود و جنجال‌های زیادی بر سر حق اختراع بین او و سازنده‌های انیاک به پا شود. با این وجود، این ساختار، پایه‌گذار تمام لپ‌تاپ‌ها، تبلت‌ها و سرورهایی است که امروز در سراسر دنیا در حال کار هستند.

از سنگرهای نبرد تا اداره‌ها؛ تولد یونیواک (UNIVAC) برای عموم

با پایان یافتن جنگ جهانی دوم، فناوری‌ای که منحصراً برای محاسبه مرگ و ویرانی ساخته شده بود، باید راه خود را به دنیای تجارت، خدمات مدنی و در نهایت خانه‌های مردم باز می‌کرد.

جان ماکلی و پرسپر اکرت، سازندگان انیاک، از ارتش جدا شدند و اولین شرکت تجاری ساخت کامپیوتر را تاسیس کردند (EMCC). اگرچه آن‌ها برای جذب سرمایه با مشکلات فراوانی روبرو بودند و در نهایت شرکتشان توسط کمپانی Remington Rand خریداری شد، اما رویای آن‌ها به حقیقت پیوست.

آن‌ها کامپیوتر یونی‌وک یک (UNIVAC I) ساختند که مخفف «کامپیوتر اتوماتیک جهانی» بود. در مارس ۱۹۵۱، این دستگاه به جای ارتش، به اداره سرشماری ایالات متحده تحویل داده شد. یونیواک دیگر برای محاسبه مسیر بمب استفاده نمی‌شد، بلکه اطلاعات جمعیتی را پردازش می‌کرد.

قدردانی از میراث دیجیتال در دستان ما

وقتی مسیر تکامل این اختراعات را بررسی می‌کنیم، به یک پارادوکس بزرگ در تاریخ بشر می‌رسیم. تاریک‌ترین و مخرب‌ترین دوران قرن بیستم، یعنی جنگ جهانی دوم، کاتالیزوری شد برای درخشان‌ترین جهش فکری انسان. اگر نیاز حیاتی به شکستن کدهای فوق‌محرمانه نازی‌ها نبود، شاید ایده جسورانه تامی فلاورز برای ساخت کلاسوس هرگز با بودجه نظامی مواجه نمی‌شد. اگر فشار استرس‌زای محاسبات توپخانه ارتش آمریکا نبود، انیاک ساخته نمی‌شد. و اگر رادارهای دفاعی نبودند، مفهوم رم و حافظه ذخیره‌سازی سال‌ها به تعویق می‌افتاد.

امروزه، وقتی از سرعت پایین اینترنت گلایه می‌کنیم، یا نگران هزینه خرید یک گجت جدید هستیم، خوب است بدانیم که تکنولوژی‌ای که در دست داریم، حاصل شب‌بیداری‌های بانوان کدشکن در شیفت‌های طاقت‌فرسا، نبوغ ریاضیدان‌ها در قطارهای لس‌آلاموس، و مهندس‌هایی است که با چنگ و دندان تلاش کردند تا غیرممکن‌ها را ممکن کنند. هر بار که گوشی خود را روشن می‌کنید تا به جهان بی‌کران اطلاعات متصل شوید، در حال لمس میراثی هستید که از دل سنگرهای جنگ جهانی دوم برخاسته تا امروز، زندگی صلح‌آمیز و ارتباطات آزاد ما را تضمین کند.